Ultrafast optical coherence elastography for volumetric and dynamic in vivo imaging

जीवित शरीर के भीतर, कोमल ऊतक केवल निष्क्रिय भराव मात्र नहीं होते; वे गतिशील सामग्रियां हैं जो लगातार अपनी कठोरता और संरचना बदलते रहते हैं। ये यांत्रिक गुण एक महत्वपूर्ण भाषा के रूप में कार्य करते हैं, जो यह बताते हैं कि कोशिकाएं कैसे संवाद करती हैं, अंग स्वयं को कैसे पुनर्गठित करते हैं, और कैंसर या संवहनी अवरोध (vascular blockages) जैसी बीमारियां कैसे जड़ें जमाती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक शरीर को काटे बिना या बाहरी रंगों (dyes) को इंजेक्ट किए बिना इस भाषा को सुनने का तरीका खोज रहे थे। उन्हें एक ऐसी विधि की आवश्यकता थी जो जीवित ऊतकों की कठोरता को सूक्ष्मदर्शी की सटीकता और हृदय की धड़कन की गति के साथ मैप कर सके। चुनौती हमेशा एक समझौता रही है: मौजूदा उपकरणों में सूक्ष्म विवरण देखने की क्षमता तो थी लेकिन वे तीव्र परिवर्तनों को पकड़ने के लिए बहुत धीमे थे, या वे तेज़ थे लेकिन इतने धुंधले थे कि उन सूक्ष्म संरचनाओं को प्रकट नहीं कर पाते जहाँ बीमारी शुरू होती है।

बीजिंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब 'अल्ट्राफास्ट ऑप्टिकल कोहेरेंस इलास्टोग्राफी' नामक एक नया दृष्टिकोण पेश किया है। यह तकनीक शरीर के भीतर की यांत्रिक दुनिया के लिए एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह काम करती है। एक विशेष लेजर के माध्यम से, जो प्रकाश के रंगों को स्कैन करता है, और अपने मापन के समय (timing) के एक चतुर तरीके को जोड़कर, शोधकर्ता अब इस बात का त्रि-आयामी (3D) मूवी बना सकते हैं कि ऊतक कैसे कंपन करते हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह विधि एक सेकंड से भी कम समय में जीवित ऊतकों के यांत्रिक व्यवहार को कैप्चर कर सकती है, जिससे धमनियों में रक्त प्रवाह और आंख की स्तरित संरचना (layered structure) के उन विवरणों को उजागर किया जा सका जिन्हें पहले वास्तविक समय में देखना असंभव था।

इस सफलता का मूल आधार यह है कि शोधकर्ता अपने मापन के समय को कैसे संभालते हैं। ऊतक यांत्रिकी के पारंपरिक इमेजिंग तरीके अक्सर एक धीमी गति वाले कैमरे की तरह काम करते हैं जो एक बार में एक तस्वीर लेता है और अगले स्थान पर जाने से पहले कंपन के गुजरने का इंतजार करता है। यह प्रक्रिया इतनी धीमी है कि रोगी की हल्की सी हलचल—एक सांस, एक धड़कन, या एक झटका—छवि को धुंधला कर देती है। हालांकि, नई प्रणाली एक ऐसे लेजर का उपयोग करती है जो प्रति सेकंड हजारों बार आगे-पीछे स्कैन करता है। कंपन के समाप्त होने का इंतजार करने के बजाय, सिस्टम एक छोटे यांत्रिक ड्राइवर द्वारा झकझोरा जा रहा ऊतक के तीन त्वरित स्नैपशॉट लेता है। ये तीन स्नैपशॉट कंपन चक्र के विशिष्ट क्षणों में लिए जाते हैं, जो एक समान अंतराल पर होते हैं।

इन तीन त्वरित छवियों की तुलना करके, शोधकर्ता गणितीय रूप से ऊतक के स्थिर बैकग्राउंड को कंपन के कारण होने वाली लयबद्ध गति से अलग कर सकते हैं। यह केवल तीन फ्रेमों से ऊतक के माध्यम से यात्रा करने वाली गति की पूरी लहर (wave) को पुनर्गठित करने की अनुमति देता है। यह रणनीति में एक महत्वपूर्ण बदलाव है: एक धीमी गति वाले कैमरे के साथ एक तेज चलती लहर को फ्रीज करने के बजाय, वे लहर की लय को इतनी तेजी से पकड़ते हैं कि गति स्वयं स्पष्ट हो जाती है। यह विधि स्पंदित ध्वनियों (acoustic waves) की कम-आवृत्ति की गड़गड़ाहट से लेकर अल्ट्रासोनिक कंपन की उच्च-आवृत्ति की गूंज तक, व्यापक रेंज में काम करती है, जो जैविक ऊतकों में पाई जाने वाली यांत्रिक गतिविधि के पूरे स्पेक्ट्रम को कवर करती है।

प्रणाली काम करती है, यह साबित करने के लिए, टीम ने पहले सरल जेल मॉडल और कठोर प्लास्टिक प्लेटों पर परीक्षण किया। उन्होंने दिखाया कि यह विधि कितनी सटीक रूप से इन सामग्रियों के माध्यम से तरंगों के संचलन को माप सकती है, जो स्थापित धीमी तकनीकों के परिणामों से मेल खाती है, लेकिन इसे सैकड़ों गुना तेजी से करती है। एक परीक्षण में, उन्होंने दो मिलियन चक्र प्रति सेकंड से अधिक की दर से कंपन करने वाली एक प्लास्टिक प्लेट को मापा, जो गति पिछले उपकरणों के लिए पकड़ना असंभव होता। सिस्टम ने इन उच्च-गति वाली तरंगों के जटिल पैटर्न को सफलतापूर्वक मैप किया, जिससे पुष्टि हुई कि यह तकनीक धीमी और अत्यंत तीव्र यांत्रिक घटनाओं, दोनों को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है।

इस तकनीक की असली शक्ति तब सामने आई जब शोधकर्ताओं ने जीवित जीवों की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने चूहों की कैरोटिड धमनियों (carotid arteries) पर इस प्रणाली को लागू किया, जो प्रति मिनट लगभग 350 बार धड़कती हैं। इन वाहिकाओं में, धमनी की दीवार की कठोरता हर धड़कन के साथ तेजी से बदलती है, रक्तचाप बढ़ने पर सख्त होती है और गिरने पर ढीली होती है। पिछली इमेजिंग विधियाँ इन तीव्र परिवर्तनों को पकड़ने के लिए बहुत धीमी थीं, जिससे अक्सर विकृत छवियां बनती थीं क्योंकि स्कैन के दौरान ही धमनी हिल जाती थी। सैकड़ों छवियों प्रति सेकंड कैप्चर करने में सक्षम नई प्रणाली, हृदय की धड़कन के पूरे चक्र को रिकॉर्ड करने में सफल रही। इसने एक स्पष्ट, निरंतर मूवी बनाई जो दिखाती है कि कैसे कठोरता की लहर धमनी के साथ चलती है, जो पल्स के साथ बिल्कुल तालमेल बिठाते हुए ऊपर-नीचे होती है। डेटा ने खुलासा किया कि धमनी में तरंग की गति हृदय की शिथिल और तंग अवस्थाओं के बीच 60 प्रतिशत से अधिक भिन्न होती है, जो विवरण का एक ऐसा स्तर है जो जीवित रक्त वाहिकाओं की गतिशील प्रकृति को उजागर करता है।

शोधकर्ताओं ने जीवित ऊतकों के त्रि-आयामी मानचित्र बनाने के लिए भी इस प्रणाली का उपयोग किया। उन्होंने मानव उंगली की त्वचा और खरगोश की आंख के अगले हिस्से को स्कैन किया। उंगली में, सिस्टम ने दिखाया कि त्वचा की कठोरता समान नहीं थी; यह माप की दिशा के आधार पर बदलती थी, जो फिंगरप्रिंट की रेखाओं के अनुरूप थी। एनिसोट्रॉपी (anisotropy) के रूप में जानी जाने वाली इस दिशात्मक भिन्नता को तीन आयामों में मैप किया गया, जिससे यह दिखाया गया कि ऊतक के यांत्रिक गुण सतह पर कैसे भिन्न होते हैं। खरगोश की आंख में, सिस्टम ने कठोर बाहरी परत, स्क्लेरा (sclera), और स्पष्ट कॉर्निया के बीच अंतर किया। इसने इन परतों के बीच कठोरता के क्रमिक संक्रमण को दिखाया और यहाँ तक कि कंजंक्टिवा (conjunctiva) नामक एक पतली, कोमल ऊतक परत की भी पहचान की। ये निष्कर्ष दर्शाते हैं कि सिस्टम उन यांत्रिक सीमाओं को देख सकता है जो मानक इमेजिंग के लिए अदृश्य हैं, जिससे आंख की संरचनात्मक जटिलता को समझने का एक नया तरीका मिलता है।

यह कार्य एक मौलिक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है कि वैज्ञानिक ऊतकों के यांत्रिक जीवन का अवलोकन कैसे कर सकते हैं। ऑप्टिकल इमेजिंग को सीमित करने वाली गति की बाधा को हटाकर, शोधकर्ताओं ने जैविक प्रक्रियाओं को उनके घटित होते हुए देखने का द्वार खोल दिया है। वास्तविक समय में एक धमनी के तेजी से सख्त होने या आंख की स्तरित यांत्रिकी को देखने की क्षमता यह समझने के लिए एक नई खिड़की प्रदान करती है कि शरीर कैसे कार्य करता है और कैसे विफल होता है। हालांकि वर्तमान में यह तकनीक आवधिक कंपनों (periodic vibrations) पर निर्भर करती है और मोशन ब्लर से बचने के लिए सावधानीपूर्वक हैंडलिंग की आवश्यकता होती है, इसके परिणाम एक ऐसे भविष्य का सुझाव देते हैं जहाँ डॉक्टर और वैज्ञानिक अभूतपूर्व गति और स्पष्टता के साथ जीवित ऊतकों के यांत्रिक स्वास्थ्य को नियमित रूप से मैप कर सकेंगे। अध्ययन पुष्टि करता है कि सही समय के साथ, ऊतक यांत्रिकी की अदृश्य भाषा को अंततः पूर्ण, वास्तविक-समय विवरण के साथ सुना जा सकता है।